微型核电池实现转换效率提高近8000倍
自发光样品黑暗条件下的自激发光现象。课题组供图
本报讯（记者温才妃 通讯员尹喆）苏州大学放射医学与辐射防护国家重点实验室教授王殳凹、王亚星团队联合校内外的研究团队，组装了目前已知效率最高的辐光伏核电池。日前，相关研究成果发表于《自然》。
据了解，微型核电池是将放射性同位素衰变能转换为电能的装置。得益于放射性同位素衰变不受外界环境影响的特性，微型核电池在诸多传统电池难以胜任或面临挑战的应用场景中，成为了一种持久且不可或缺的能源解决方案。
由王殳凹领衔的苏州大学放射化学研究团队提出了一种基于“内置能量转换器”的锕系微型核电池架构，其中锕系核素243Am和发光镧系元素Tb3+共组装成晶态配位聚合物，且它们之间的距离处于埃米范围内，从而实现了放射性核素与能量转换单元在分子层级的耦合。243Am衰变产生的α粒子能量可极为高效地沉积到周围的镧系元素上。在仅使用11μCi放射性核素用量的情况下，研究团队观测到内置能量转换器中243Am内辐照诱导的肉眼可见的自发光。后续的实验测定了该自发光功率为11.88nW，衰变能到光能的转换效率高达3.43%。
研究团队通过实验测定和理论模拟两个角度，进一步验证了内置能量转换器可以显著提高能量转换效率。实验结果表明，放射性核素内置模式下从衰变能到光能的能量转换效率比传统微型核电池结构提高近8000倍。
蒙特卡洛模拟结果也表明，放射性核素内置模式下，α粒子的通量和平均能量均显著大于传统的放射源外置模式。此外，内置能量转换器还表现出卓越的结构稳定性和发光稳定性，将其与光伏电池相结合，能够将长期稳定的自发光转化为电能输出。
据此，研究团队开发了一种全新的锕系微型辐光伏核电池，实现了目前破纪录的0.889%的总能量转换效率和139μWCi-1的单位活度功率。同时，该微型核电池在持续运行200小时后，性能参数几乎没有衰减。该成果作为近几十年来核电池领域的重要突破之一，为锕系核素在非核燃料循环领域的资源化利用开启了新方向。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07933-9